การศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง ประเทศสิงคโปร์ (NTU Singapore) แสดงให้เห็นว่าการห่อหุ้มโปรตีนจากสาหร่ายในหยดของเหลวสามารถเพิ่มคุณสมบัติในการเก็บเกี่ยวแสงและการแปลงพลังงานของสาหร่ายได้อย่างมากถึงสามเท่า พลังงานนี้ผลิตขึ้นเมื่อสาหร่ายผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งเป็นกระบวนการที่พืช สาหร่าย และแบคทีเรียบางชนิดใช้เพื่อควบคุมพลังงานจากแสงแดดและเปลี่ยนให้เป็นพลังงานเคมี

โดยเลียนแบบวิธีที่พืชแปลงแสงแดดเป็นพลังงาน การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมอาจเป็นวิธีการผลิตไฟฟ้าที่ยั่งยืนซึ่งไม่ต้องอาศัยเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือก๊าซธรรมชาติซึ่งไม่สามารถหมุนเวียนได้ เนื่องจากอัตราการแปลงพลังงานธรรมชาติจากแสงแดดเป็นไฟฟ้าต่ำ การเพิ่มการผลิตไฟฟ้าโดยรวมอาจทำให้การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมสามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้

การศึกษานำโดยผู้ช่วยศาสตราจารย์ Chen Yu-Cheng จาก School of Electrical and Electronic Engineering ได้ศึกษาโปรตีนชนิดหนึ่งที่พบในสาหร่ายสีแดง โปรตีนเหล่านี้เรียกว่าไฟโคบิลิโปรตีน (phycobiliproteins) มีหน้าที่ดูดซับแสงภายในเซลล์สาหร่ายเพื่อกระตุ้นการสังเคราะห์ด้วยแสง

Phycobiliproteins เก็บพลังงานแสงจากช่วงสเปกตรัมของความยาวคลื่นแสง รวมทั้งพลังงานที่คลอโรฟิลล์ดูดซับได้ไม่ดี และแปลงเป็นไฟฟ้า

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Chen กล่าวว่า "เนื่องจากคุณสมบัติการเปล่งแสงและการสังเคราะห์แสงที่เป็นเอกลักษณ์ phycobiliproteins มีศักยภาพในการใช้งานเทคโนโลยีชีวภาพและอุปกรณ์โซลิดสเตต การเพิ่มพลังงานจากอุปกรณ์เก็บเกี่ยวแสงเป็นหัวใจสำคัญของความพยายามในการพัฒนาอุปกรณ์อินทรีย์ ที่ใช้แสงเป็นแหล่งพลังงาน”

การวิจัยของทีมอาจนำไปสู่แนวทางใหม่ในการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ที่ยั่งยืน โดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลหรือก๊าซธรรมชาติซึ่งไม่สามารถหมุนเวียนได้ เทคโนโลยีใหม่ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพจากไฟโคบิลิโปรตีนสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและปูทางให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม

การใช้สาหร่ายเป็นแหล่งพลังงานชีวภาพเป็นหัวข้อที่ได้รับความนิยมในด้านความยั่งยืนและพลังงานหมุนเวียน เนื่องจากการใช้สาหร่ายอาจช่วยลดปริมาณสารพิษที่เกิดจากการผลิตแผงโซลาร์เซลล์

การศึกษาสนับสนุนความมุ่งมั่นของ NTU ในด้านความยั่งยืนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของแผนยุทธศาสตร์ปี 2025 ซึ่งพยายามทำความเข้าใจ ชี้แจง และจัดการกับผลกระทบของมนุษยชาติต่อสิ่งแวดล้อม

ผลการวิจัยที่ถูกตีพิมพ์และเลือกให้เป็นหน้าปกของวารสารทางวิทยาศาสตร์ACS Applied วัสดุการเชื่อมต่อ

ประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์เพิ่มขึ้นสามเท่า

สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับแสงแดดและแปลงเป็นพลังงาน เพื่อที่จะขยายปริมาณพลังงานที่สาหร่ายสามารถสร้างขึ้นได้ ทีมวิจัยได้พัฒนาวิธีการห่อหุ้มสาหร่ายสีแดงไว้ในไมโครดรอปเล็ตผลึกเหลวขนาดเล็กที่มีขนาด 20 ถึง 40 ไมครอนและสัมผัสกับแสง

เมื่อแสงตกกระทบกับหยด จะเกิดเอฟเฟกต์ที่เรียกว่า "โหมดกระซิบกระซาบ" ซึ่งคลื่นแสงจะเคลื่อนที่รอบขอบโค้งของหยด แสงถูกดักจับอย่างมีประสิทธิภาพภายในหยดเป็นเวลานาน ทำให้มีโอกาสเกิดการสังเคราะห์แสงมากขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงสร้างพลังงานมากขึ้น

พลังงานที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงในรูปของอิเล็กตรอนอิสระสามารถจับผ่านอิเล็กโทรดเป็นกระแสไฟฟ้าได้

"ละอองน้ำมีลักษณะเหมือนเครื่องสะท้อนที่กักแสงไว้มาก" ผศ.เฉิน กล่าว "สิ่งนี้ทำให้สาหร่ายได้รับแสงมากขึ้น เพิ่มอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันนี้สามารถทำได้โดยการเคลือบด้านนอกของหยดด้วยโปรตีนจากสาหร่ายด้วย"

"ด้วยการใช้ประโยชน์จากไมโครดรอปเล็ตในฐานะพาหะสำหรับวัสดุชีวภาพสำหรับการเก็บเกี่ยวด้วยแสง การเพิ่มประสิทธิภาพของสนามไฟฟ้าในท้องถิ่นที่แข็งแกร่งและการกักขังโฟตอนภายในหยดส่งผลให้มีการผลิตกระแสไฟฟ้าสูงขึ้นอย่างมาก" เขากล่าว

สามารถผลิตหยดละอองในปริมาณมากได้อย่างง่ายดายด้วยต้นทุนที่ต่ำ ทำให้วิธีของทีมวิจัยสามารถนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวาง

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Chen กล่าวว่าเซลล์แสงอาทิตย์จากสาหร่ายส่วนใหญ่ผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ 20-30 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร (µW/cm 2 ) การรวมกันของสาหร่ายและหยด NTU ช่วยเพิ่มระดับการผลิตพลังงานนี้อย่างน้อยสองถึงสามครั้ง เมื่อเทียบกับอัตราการสร้างพลังงานของโปรตีนจากสาหร่ายเพียงอย่างเดียว

เปลี่ยน “ขยะชีวภาพ” เป็นพลังงานชีวภาพ

การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์มีจุดมุ่งหมายเพื่อจำลองกระบวนการทางชีววิทยาตามธรรมชาติโดยที่พืชแปลงแสงแดดเป็นพลังงานเคมี เป้าหมายคือการสร้างวิธีการทำให้พลังงานหมุนเวียน เชื่อถือได้ และจัดเก็บได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในทางลบ

ความท้าทายประการหนึ่งของการสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์คือการสร้างพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับแหล่งพลังงานอื่นๆ ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เช่น แผงโซลาร์เซลล์ โดยเฉลี่ยแล้ว แผงโซลาร์เซลล์มีประสิทธิภาพ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่การสังเคราะห์ด้วยแสงในปัจจุบันคาดว่าจะมีประสิทธิภาพ 4.5%

ผศ.เฉิน กล่าวว่า "การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์ไม่ได้มีประสิทธิภาพเท่ากับเซลล์แสงอาทิตย์ในการผลิตกระแสไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม มันสามารถทดแทนและยั่งยืนมากกว่า เนื่องจากความสนใจที่เพิ่มขึ้นในเทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ การดึงพลังงานจากโปรตีนที่เก็บเกี่ยวด้วยแสงในสาหร่ายมีมากขึ้น ได้รับความสนใจอย่างมากในด้านพลังงานชีวภาพ"

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Chen จินตนาการถึงกรณีการใช้งานที่เป็นไปได้ของ "ฟาร์มสาหร่าย" ซึ่งในที่สุดสาหร่ายที่เติบโตอย่างหนาแน่นในแหล่งน้ำสามารถรวมกับหยดผลึกเหลวขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบลอยตัวได้

"ไมโครดรอปเล็ตที่ใช้ในการทดลองของเรามีศักยภาพที่จะขยายขนาดให้ใหญ่ขึ้นซึ่งสามารถนำไปใช้กับสาหร่ายนอกสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการเพื่อสร้างพลังงาน แม้ว่าบางคนอาจมองว่าการเติบโตของสาหร่ายนั้นไม่น่าดู แต่ก็มีความสำคัญมาก บทบาทในสิ่งแวดล้อม ผลการวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่ามีวิธีที่จะแปลงสิ่งที่บางคนอาจมองว่าเป็น "ขยะชีวภาพ" ให้เป็นพลังงานชีวภาพ